Si衬底GaN基发光二极管外延片及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种Si衬底GaN基发光二极管外延片及其制作方法，属于半导体【技术领域】。该方法包括：提供Si衬底；在Si衬底上生长反光层，反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在TiO2层上的SiO2层；将顶层的SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成SiC；在碳化后的SiO2层上依次层叠生长成核层、不掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层。本发明通过生长反光层，可以将从多量子阱层射向Si衬底的光反射回去，避免了这些光被Si衬底吸收，从而在能保证发光二极管出光率的同时，不用剥离Si衬底，这一方面简化了芯片制作工艺的工序和成本，另一方面不会导致在芯片制作工艺过程中芯片碎片和漏电，便于Si衬底制作正装结构的芯片。
【专利说明】Si衬底GaN基发光二极管外延片及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种Si衬底GaN基发光二极管外延片及其制作方法。
【背景技术】
[0002]当今发光二极管的应用已经遍布于显示屏、背光源、交通信号灯、景观灯、照明等各个领域。发光二极管芯片是发光二极管的核心组件，发光二极管芯片包括外延片和设于外延片上的电极。外延片包括衬底以及在衬底上依次生长的成核层、不掺杂的GaN层、η型层、多量子阱层和P型层。
[0003]目前发光二极管芯片的外延片一般是由GaN材料制成，且普遍采用异质外延的方式进行生长。GaN基发光二极管外延片最常用的衬底有蓝宝石、SiC和Si。由于蓝宝石衬底热导率差，在蓝宝石衬底上生长的外延材料，不适宜用来制作高温大功率器件；SiC衬底成本高尺寸小，难以大规模使用；而Si衬底价格低，制作工艺成熟，尺寸大，热导率高，易解理。因此采用Si衬底异质外延生长GaN基发光二极管外延片有明显的优势。
[0004]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]Si衬底具有较窄的禁带宽度和较大的折射率，其光的透过率和反射率低，从多量子阱层发射到Si衬底的光容易被Si衬底吸收，为了保证Si衬底GaN基发光二极管的出光率，在后期的芯片工艺制作过程中，需要将Si衬底剥离来提高发光效率，这增加了芯片工艺的工序和成本；Si衬底剥离后，GaN外延层较薄，在芯片工艺制作过程中易碎片，且GaN材料作为底层容易漏电，为此需要将Si衬底GaN基发光二极管芯片作成倒装结构，以故Si衬底不能用来制做正装结构的芯片。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种Si衬底GaN基发光二极管外延片及其制作方法。所述技术方案如下:
[0007]—方面，本发明实施例提供了一种Si衬底GaN基发光二极管外延片的制作方法，所述方法包括:
[0008]提供Si衬底；
[0009]在所述Si衬底上生长反光层，所述反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在所述TiO2层上的SiO2层；
[0010]将顶层的SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成SiC ；
[0011]在碳化后的所述SiO2层上依次层叠生长成核层、不掺杂的GaN层、η型层、多量子阱层和P型层。
[0012]优选地，所述将顶层的所述SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成SiC，具体碳化温度为 1000°C ?1600°C。
[0013]进一步地，所述多周期结构的周期数为30?100。[0014]优选地，每个周期的所述TiO2层的厚度为30?80nm，每个周期的所述SiO2层的厚度为40?90nm。
[0015]进一步地，所述一部分厚度为I?5nm。
[0016]另一方面，本发明实施例还提供了一种Si衬底GaN基发光二极管外延片，所述外延片包括Si衬底以及在所述Si衬底上依次生长的反光层、成核层、不掺杂的GaN层、η型层、多量子阱层和P型层，所述反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在所述TiO2层上的SiO2层，且顶层的所述SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成为SiC。
[0017]优选地，所述多周期结构的周期数为30?100。
[0018]优选地,每个周期的所述TiO2层的厚度为30?80nm,每个周期的所述SiO2层的厚度为40?90nm。
[0019]进一步地，所述一部分厚度为I?5nm。
[0020]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0021]通过在Si衬底上生长反光层，反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在TiO2层上的SiO2层，且顶层的SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成为SiC，因此该反光层可以将从多量子阱层射向Si衬底的光反射回去，避免了这些光被Si衬底吸收，从而在能保证Si衬底GaN基发光二极管出光率的同时，不用剥离Si衬底，这一方面简化了芯片制作工艺的工序和成本，另一方面不会导致在芯片制作工艺过程中芯片碎片和漏电，因此Si衬底可以用来制作正装结构的芯片。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1是本发明实施例一提供的一种Si衬底GaN基发光二极管外延片的制作方法流程图；
[0024]图2是本发明实施例二提供的一种Si衬底GaN基发光二极管外延片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0026]实施例一
[0027]本实施例提供了一种Si衬底GaN基发光二极管外延片的制作方法，参见图1，该方法包括:
[0028]步骤101:提供Si衬底。
[0029]步骤102:在Si衬底上生长反光层，该反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在TiO2层上的SiO2层；
[0030]需要说明的是，反光层为DBR (Distributed Bragg Ref lection,分布式布拉格反射镜)结构，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每一周期包括一层材料A和一层材料B。在本专利的DBR结构中，A具体指TiO2层，B具体指SiO2层。在正装结构的Si衬底GaN基发光二极管芯片中，多量子阱层发出的射向Si衬底的光，会被DBR结构的反光层反射回去，因此DBR结构的反光层能避免Si衬底吸收多量子阱层发出的光，提高了 Si衬底GaN基发光二极管外延片的发光亮度。
[0031]需要说明的是，本实施例在Si衬底上生长反光层可以通过镀膜机实现。
[0032]进一步地，反光层多周期结构的周期数为30~100。30~100个周期的反光层多周期结构反射光的效果强，几乎可以将多量子阱层(后面将会提到)发出的射向Si衬底的光全部反射回去。
[0033]优选地，每个周期的TiO2层的厚度为30~80nm，每个周期的SiO2层的厚度为40~90nmo
[0034]作为本实施例的一种实现方式，反光层多周期结构的周期数可以为35，每个周期的TiO2层的厚度可以为35nm,每个周期的SiO2层的厚度可以为45nm ;作为本实施例的另一种实现方式，反光层多周期结构的周期数可以为50，每个周期的TiO2层的厚度可以为55nm,每个周期的SiO2层的厚度可以为65nm ;作为本实施例的再一种实现方式，反光层多周期结构的周期数可以为85，每个周期的TiO2层的厚度可以为75nm，每个周期的SiO2层的厚度可以为85nm。
[0035]步骤103:将顶层的SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成SiC ；
[0036]具体地，顶层的SiO2层是指反光层中离Si衬底最远的一个周期中的SiO2层。由于在TiO2层和SiO2层制成的反光层上无法生长GaN材料制成的外延层，因此需要将顶层的SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成SiC，再在SiC上生长GaN材料制成的外延层。
`[0037]优选地，步骤103中具体碳化温度为1000°C~1600°C。
[0038]进一步地,步骤103涉及的一部分厚度为I~5nm。
[0039]步骤104:在碳化后的SiO2层上依次层叠生长成核层、不掺杂的GaN层、η型层、多量子阱层和P型层。
[0040]进一步地,步骤104包括:
[0041](41)在800°C、氮氢混合气氛条件下，采用金属有机化合物气相沉积方法在碳化后的SiO2层上生长AlxGahN (0〈x ( I)成核层，AlxGa^N成核层的厚度可以为30nm，AlxGapxN成核层可以为AlN成核层或Ala 15Gaa 85N成核层；
[0042](42)升高温度至1060°C，打开三甲基镓源，采用金属有机化合物气相沉积方法在AlxGa1J成核层上生长不掺杂的GaN层，不掺杂的GaN层的厚度可以为2um ；
[0043](43)打开硅源，采用金属有机化合物气相沉积方法在不掺杂的GaN层上生长掺Si的η型GaN层，该掺Si的η型GaN层的厚度可以为2um ；
[0044](44)关闭硅源，交替打开三甲基铟源，采用金属有机化合物气相沉积方法在η型GaN层上生长多量子阱层，多量子阱层为多周期结构，每个周期包括InGaN层和GaN层，该多周期结构的周期数可以为6;
[0045](45)关闭三甲基铟源，打开二茂镁源，采用金属有机化合物气相沉积方法在多量子讲层上生长P型GaN层，该P型GaN层的厚度可以为200nm。
[0046]需要说明的是，在步骤104之后，通过在η型层上制作η型电极，在ρ型层上制作P型电极，可以得到Si基GaN发光二极管芯片。
[0047]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:通过在Si衬底上生长反光层，反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在TiO2层上的SiO2层，且顶层的SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成为SiC，因此该反光层可以将从多量子阱层射向Si衬底的光反射回去，避免了这些光被Si衬底吸收，从而在能保证Si衬底GaN基发光二极管出光率的同时，不用剥离Si衬底，这一方面简化了芯片制作工艺的工序和成本，另一方面不会导致芯片制作工艺过程中碎片和芯片漏电，因此Si衬底可以用来制作正装结构的芯片。
[0048]实施例二
[0049]本实施例提供了一种Si衬底GaN基发光二极管外延片,该外延片可以用实施例一提供的方法制作，参见图2，该外延片包括:Si衬底11、依次层叠在Si衬底11上的反光层12、成核层13、不掺杂的GaN层14、η型层15、多量子阱层16和ρ型层17，其中，反光层12为多周期结构，每个周期包括TiO2层121和生长在TiO2层121上的SiO2层122，且顶层的SiO2层122中一部分厚度的SiO2碳化成为SiC123。
[0050]需要说明的是，反光层12为DBR (Distributed Bragg Ref lection,分布式布拉格反射镜)结构，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每一周期包括一层材料A和一层材料B。在本专利的DBR结构中，A具体指TiO2层121，B具体指SiO2层122。在正装结构的Si衬底GaN基发光二极管芯片中，多量子阱层16发出的射向Si衬底11的光，会被反光层12反射回去，因此，反光层能避免Si衬底11吸收多量子阱层16发出的光，提高了 Si衬底GaN基发光二极管外延片的发光亮度。
[0051]需要说明的是，本实施例在Si衬底11上生长反光层12可以通过镀膜机实现。
[0052]具体地，SiC123可以通过将顶层的SiO2层122中一部分厚度的SiO2进行碳化实现。具体地，可以在1000°C?1600°c的高温下，采用碳将顶层的SiO2层122中一部分厚度的SiO2碳化成SiC123。由于在TiO2层121和SiO2层122制成的反光层12上无法生长用GaN材料制成的外延层，因此需要将顶层的SiO2层122中一部分厚度的SiO2碳化成SiC123，再在SiC123上生长GaN材料制成的外延层。
[0053]进一步地，反光层12多周期结构的周期数为30?100。30?100个周期的反光层12多周期结构反射光的效果强，几乎可以将多量子阱层16 (后面将会提到)发出的射向Si衬底11的光全部反射回去。
[0054]优选地，每个周期的TiO2层121的厚度为30?80nm，每个周期的SiO2层122的厚度为40?90nm。
[0055]进一步地，一部分厚度(即顶层的SiO2层122中碳化为SiC123的厚度)为I?5nm。
[0056]作为本实施例的一种实现方式，反光层12多周期结构的周期数可以为35，每个周期的TiO2层121的厚度可以为35nm，每个周期的SiO2层122的厚度可以为45nm ;作为本实施例的另一种实现方式，反光层12多周期结构的周期数可以为50，每个周期的TiO2层121的厚度可以为55nm,每个周期的SiO2层122的厚度可以为65nm ;作为本实施例的再一种实现方式，反光层多周期结构的周期数可以为85，每个周期的1102层121的厚度可以为75nm，每个周期的SiO2层122的厚度可以为85nm。
[0057]可选地，在本实施例中，可以采用金属有机化合物气相沉积法在SiC123上依次层叠生长AlxGahN (其中，0〈x ( I)成核层、不掺杂的GaN层14、n型层15、多量子阱层16和P型层17。
[0058]具体地，在本实施例中，成核层13可以为厚度为30nm的AlN成核层，或是厚度为30nm的Alai5Gaa85N成核层。不掺杂的GaN层14的厚度可以为2um。η型层15可以为2um的掺Si的GaN层。多量子阱层16可以为由InGaN层和GaN层依次交替层叠而成的超晶格结构，其周期数可以为6。ρ型层17可以为厚度为200nm的ρ型GaN层。
[0059]需要说明的是，通过在外延片的η型层上制作η型电极，在ρ型层上制作P型电极，可以得到Si基GaN发光二极管芯片。在Si基GaN发光二极管芯片的后期加工工艺中，由于反光层12的存在，可以将射向Si衬底11的光反射回去，可以用该结构的芯片制作正装结构的芯片。
[0060]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:通过在Si衬底上生长反光层，反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在TiO2层上的SiO2层，且顶层的SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成为SiC，因此该反光层可以将从多量子阱层射向Si衬底的光反射回去，避免了这些光被Si衬底吸收，从而在能保证Si衬底GaN基发光二极管出光率的同时，不用剥离Si衬底，这一方面简化了芯片制作工艺的工序和成本，另一方面不会导致在芯片制作工艺过程中芯片碎片和漏电，因此Si衬底可以用来制作正装结构的芯片。
[0061 ] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0062] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种Si衬底GaN基发光二极管外延片的制作方法,其特征在于,所述方法包括: 提供Si衬底； 在所述Si衬底上生长反光层，所述反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在所述TiO2层上的SiO2层； 将顶层的所述SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成SiC ； 在碳化后的所述SiO2层上依次层叠生长成核层、不掺杂的GaN层、η型层、多量子阱层和P型层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将顶层的所述SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成SiC，具体碳化温度为1000°C?1600°C。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多周期结构的周期数为30?100。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个周期的所述TiO2层的厚度为30?80nm,每个周期的所述SiO2层的厚度为40?90nm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述一部分厚度为I?5nm。
6.一种Si衬底GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片包括Si衬底以及在所述Si衬底上依次生长的反光层、成核层、不掺杂的GaN层、η型层、多量子阱层和P型层，所述反光层为多周期结构，每个周期包括TiO2层和生长在所述TiO2层上的SiO2层，且顶层的所述SiO2层中一部分厚度的SiO2碳化成为SiC。
7.根据权利要求6所述的外延片，其特征在于，所述多周期结构的周期数为30?100。
8.根据权利要求6所述的外延片，其特征在于，每个周期的所述TiO2层的厚度为30?80nm,每个周期的所述SiO2层的厚度为40?90nm。
9.根据权利要求8所述的外延片，其特征在于，所述一部分厚度为I?5nm。
【文档编号】H01L33/10GK103500777SQ201310391310
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】孙玉芹, 王江波, 刘榕 申请人:华灿光电股份有限公司